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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.17.2013.tde-27102013-220538
Document
Author
Full name
Paula Fagundes de Gouvêa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2013
Supervisor
Committee
Goldman, Gustavo Henrique (President)
Dinamarco, Taísa Magnani
Gomes, Marcelo Damario
Squina, Fabio Marcio
Uyemura, Sergio Akira
Title in Portuguese
Estudos genéticos e moleculares da produção de celulases e hemicelulases em Aspergillus nidulans e Aspergillus niger
Keywords in Portuguese
A. nidulans
Aspergillus niger
bagaço de cana-de-açúcar explodido
celulase
creA
hemicelulase
repressão catabólica do carbono
schA
snfA
xilanase
xlnR
Abstract in Portuguese
O mundo se depara atualmente com a perspectiva de um significativo aumento na demanda por etanol combustível. O bagaço de cana está entre os maiores subprodutos agroindustriais no Brasil, sendo uma das alternativas na utilização para a produção do etanol de segunda geração. A degradação do bagaço de cana requer a ação de muitas enzimas diferentes que são reguladas transcripcionalmente. Considerando-se que o custo de celulases e hemicelulases contribuem substancialmente no preço do bioetanol, novos estudos visando o entendimento da eficiência e produtividade de celulases são de grande importância. Para entender como melhorar coquetéis de enzimas que podem hidrolizar o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, uitlizou-se um experimento de genômica para investigar-se quais genes e vias são transcripcionalmente moduladas durante o crescimento de A. niger em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Neste trabalho foram identificados genes que codificam celulases e hemicelulases com aumento da expresão durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi também realizada a determinação do acúmulo de mRNA de diversos genes que codificam transportadores para verificar se estes eram induzidos por xilose e por depedência de glicose. Foram identificados 18 genes que corresponde a 58% de celulases preditas em A. niger e 21 genes que correponde a 58% de hemicelulases preditas em A. niger os quias foram altamente expressos durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi investigado também o papel central realizado pelas proteínas quinases e fosfatases não essenciais (NPKs e NPPs, respectivamente) quando em presença de celulose como fonte de carbono, no sensoriamento do estado energético e na subsequente via de sinalização no fungo filamentoso modelo Aspergillus nidulans. O estudo com A. nidulans identificou 11 quinases e 7 fosfatases não essências, NPKs e NPPs, respectivamente, envolvidas na produção de celulases e em alguns casos, na produção também de hemicelulases. O envolvimento destas NPKs identificadas na resposta induzida por avicel e na desrepressão foram acessados pela análise do transcriptoma da cepa selvagem e por microscopia de fluorescência através da cepa de fusão CreA::GFP expressa no selvagem e no background dos mutantes de NPKs. A ausência das quinases snfA e schA reduziu dramaticamente a resposta transcricional induzida por celulose incluindo a expressão de enzimas hidrolíticas e transportadores, enquanto que a ausência de snfA resultou em uma quase completa modulação gênica induzida por celulose. O mecanismo pelo qual essas duas quinases controlam a transcrição gênica foi identificado, onde os dois mutantes de quinases foram capazes de desbloquear o CreA mediante a repressão catabólica do carbono (CCR), sob condições de desrepressão, como em baixa presença de carbono ou crescimento em celulose. Desta forma, este trabalho abriu novas possibilidades para o entendimento da sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar por hidrolases de A. niger e para a construção de coquetéis de enzimas mais eficientes para a obtenção do etanol de segunda geração. Também possibilitou a identificação de muitas quinases e fosfatases envolvidas no sensoriamento do carbono e do estado energético, as quais demonstraram papéis sobrespostos e distintos de snfA e schA na regulação da desrepressão de CreA e na produção de enzimas hidrolíticas em A. nidulans.
Title in English
The genetic and molecular studies of cellulase and hemicellulase production in Aspergillus nidulans and Aspergillus niger.
Keywords in English
A. nidulans
Aspergillus niger
carbon catabolite repression
cellulase
creA
hemicellulase
schA.
snfA
steam-exploded sugarcane bagasse
xlnR
xylanase
Abstract in English
The world today is faced with the prospect of a significant increase in demand for fuel ethanol. Sugarcane bagasse is among the largest agro-industrial by-products in Brazil, one of the alternatives in use for the production of second generation ethanol. Degradation of sugarcane bagasse requires the action of many different enzymes which are transcriptionally regulated. Considering that the costs of cellulases and hemicellulases contribute substantially to the price of bioethanol, new studies aimed at understanding and improving cellulase efficiency and productivity are of paramount importance. To understand how to improve enzymatic cocktails that can hydrolyze pretreated sugarcane bagasse, we used a genomics approach to investigate which genes and pathways are transcriptionally modulated during growth of A. niger on steam-exploded sugarcane bagasse. We also sought to determine whether the mRNA accumulation of several steam-exploded sugarcane bagasseinduced genes encoding putative transporters is induced by xylose and dependent on glucose. We identified 18 genes that corresponds to 58% of A. niger predicted cellulases and 21 genes that correspond to 58% of A. niger predicted hemicellulases, that were highly expressed during growth on sugarcane bagasse. The central role performed by nonessential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) when grown on cellulose as a sole carbon source, in the sensing energetic status and the subsequent signalling pathways was assessed in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. This study identified multiple kinases and phosphatases (NPKs and NPPs, respectively) involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans. The involvement of the identified NPKs in avicel-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics and fluorescent microscopy of a CreA::GFP fusion proteinexpressed in the wild-type and NPK-deficient mutant backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses including the expression of hydrolytic enzymes and transporters, while the absence snfA resulted in a near complete loss of wild-typecellulose-induced gene modulation. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as neither of NPK-deficient mutants were able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression, under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Our presently reported work opens new possibilities for understanding sugarcane biomass saccharification by A. niger hydrolases and for the construction of more efficient enzymatic cocktails for second-generation bioethanol. This work also enable the identification of multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans.
 
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Publishing Date
2013-12-17
 
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